Квантовые вычисления

Создание универсального квантового компьютера одна из сложнейших задач современной физики, решение которой в корне изменит представления человечества об интернете и методах передачи информации, кибербезопасности и криптографии, электронных валютах, системах искусственного интеллекта и машинного обучения, методах синтеза новых материалов и лекарств, подходах к моделированию сложных физических, квантовых и ультра больших (Big Data) систем. 

Экспоненциальный рост размерности при попытке расчетов реальных систем или самых простых квантовых систем является непреодолимым препятствием для классических компьютеров. Однако в 1980 году Юрий Манин и Ричард Фейнман (в 1982 году, о
но более подробно) независимо выдвинули идею использования квантовых систем для вычислений. В отличие от классических современных компьютеров, в квантовых схемах при вычислениях используются кубиты (квантовые биты), которые по своей природе являются квантовыми двухуровневыми системами и обеспечивают возможность прямого использования феномена квантовой суперпозиции. Другими словами это означает, что кубит может одновременно находится в состояниях |0> и |1>, а два связанных между собой кубита – одновременно в состояниях |00>, |10>, |01> и |11>. Именно это свойство квантовых систем должно обеспечить экспоненциальный рост производительности параллельных вычислений, сделав квантовые компьютеры в миллионы раз быстрее самых мощных современных суперкомпьютеров. 

В 1994 году Питером Шором предложен квантовый алгоритм разложения чисел на простые множители. Вопрос существования эффективного классического решения данной задачи является крайне важным и до сих пор открыт, при этом квантовый алгоритм Шора обеспечивает экспоненциальное ускорение относительно наилучшего классического аналога. Например, современный суперкомпьютер петафлопсного диапазона (1015 операций/сек) позволяет разложить число с 500 десятичными знаками за 5 миллиардов лет, квантовый компьютер мегагерцового диапазона (106  операций/сек) решил бы ту же задачу за 18 секунд. Важно отметить, что сложность решения данной задачи является основой популярного алгоритма криптографической защиты RSA, который после создания квантового компьютера попросту потеряет актуальность. 

В 1996 году Ловом Гровером предложен квантовый алгоритм решения задачи перебора (поиска) с квадратичным ускорением. Несмотря на то, что ускорение алгоритма Гровера заметно ниже алгоритма Шора, важным является его широкий спектр применения, и очевидная невозможность ускорения классического варианта перебора. Сегодня известно более 40 эффективных квантовых алгоритмов, большинство из которых основаны на идеях алгоритмов Шора и Гровера, реализация которых является важным шагом к созданию универсального квантового компьютера. 

Реализация квантовых алгоритмов - одна из приоритетных задач НОЦ ФМН. Наши исследования в этой области направлены на разработку многокубитных сверхпроводящих квантовых интегральных схем для создания универсальных квантовых систем обработки информации и квантовых симуляторов. Базовым элементом таких схем являются джозефсоновские туннельные переходы, состоящие из двух сверхпроводников, разделенных тонким барьером - диэлектриком толщиной порядка 1 нм. Сверхпроводящие кубиты на основе джозефсоновских переходов при охлаждении в криостатах растворения практически до температуры абсолютного нуля (~20 мК) проявляют квантово-механические свойства, демонстрируя квантование электрического заряда (зарядовые кубиты), фазы или потока магнитного поля (потоковые кубиты) в зависимости от их конструкции. Для объединения кубитов в схемы используются емкостные или индуктивные соединительные элементы, а также сверхпроводящие копланарные резонаторы, а управление осуществляется микроволновыми импульсами с контролируемыми амплитудой и фазой. Сверхпроводящие схемы особенно привлекательны благодаря тому, что они могут быть изготовлены планарными массовыми технологиями, используемыми в полупроводниковой промышленности. В НОЦ ФМН мы используем оборудование (R&D класса) ведущих мировых производителей, специально спроектированное и созданное для нас с учетом особенностей технологических процессов изготовления сверхпроводящих квантовых интегральных схем. 

Несмотря на то, что показатели качества сверхпроводящих кубитов выросли за прошедшие 15 лет почти на несколько порядков, сверхпроводящие квантовые интегральные схемы все еще очень нестабильны по сравнению с классическими процессорами. Построение надежного универсального многокубитного квантового компьютера требует решения большого количества физических, технологических, архитектурных и алгоритмических задач. В НОЦ ФМН сформирована комплексная программа исследований и разработок по направлению создания многокубитных сверхпроводящих квантовых схем, включая:
  • методы формирования и исследования новых материалов и интерфейсов;
  • проектирование и технология изготовления элементов квантовых схем;
  • масштабируемое изготовление высококогерентных кубитов и высокодобротных резонаторов;
  • томография (измерения характеристик) сверхпроводящих кубитов;
  • управление сверхпроводящих кубитами, квантовая коммутация (перепутывание);
  • методы обнаружения и алгоритмы коррекции ошибок;
  • разработка архитектуры многокубитных квантовых схем;
  • сверхпроводящие параметрические усилители с квантовым уровнем шумов.


Джозефсоновские переходы  
Благодаря нелинейным свойствам при ультра низких потерях (по своей природе) и возможности масштабирования (изготовление литографическими методами) джозефсоновские переходы крайне привлекательны для создания квантовых сверхпроводящих схем. Зачастую для изготовления квантовой схемы требуется сформировать сотни и тысячи джозефсоновских переходов с характерными размерами порядка 100 нм нп кристалле. При этом надежная работа схем реализуется только при условии точного воспроизведения параметров переходов. Другими словами все переходы квантовых схем должны быть абсолютно одинаковыми. Для этого прибегают к использованию самых современных методов электронно-лучевой литографии и последующего высокоточного теневого напыления через резистивные или жесткие маски.  

Джозефсоновские переходы  

Формирование джозефсоновских переходов осуществляется стандартными методами литографии ультравысокого разрешения с использованием двухслойных резистивных или жестких масок. При проявлении такой двухслойной маски формируются окна для осаждения слоев сверхпроводника под такими углами, чтобы в результате процессов произошло наложение напыляемых слоев. Перед осаждением второго слоя сверхпроводника формируется туннельный диэлектрический слой джозефсоновского перехода очень высокого качества. После формирования джозефсоновских переходов двухслойная маска удаляется. При этом на каждом этапе формирования переходов критически важным фактором является создание «идеальных» интерфейсов – даже атомарные загрязнения радикально ухудшают параметры изготавливаемых схем в целом. 

В ФМН разработана алюминиевая технология формирования джозефсоновских переходов Al–AlOx–Al с минимальными размерами в диапазоне 100-500 нм и воспроизводимостью параметров переходов по критическому току не хуже 5%. Продолжающиеся технологические исследования направлены на поиск новых материалов, усовершенствование технологических операций формирования переходов, подходов по интеграции с новыми маршрутными технологическими процессами и повышение воспроизводимости изготовления переходов при увеличении их количества до десятков тысяч штук на кристалле. 

Высококогерентные сверхпроводящие кубиты
Джозефсоновские кубиты (квантовая двухуровневая система или «искусственный атом») характеризуются типичным расщеплением энергии основного возбужденного состояния на уровни и управляются стандартными микроволновыми импульсами (внешняя подстройка расстояния между уровнями и собственных состояний) на частоте расщепления в гигагерцовом диапазоне. Все сверхпроводящие кубиты можно разделить на зарядовые (квантование электрического заряда) и потоковые кубиты (квантование магнитного поля или фазы), а основными критериями качества кубитов с точки зрения квантовых вычислений являются время релаксации (T1), время когерентности (T2, дефазировки) и время на выполнение одной операции. Первый зарядовый кубит был реализован в лаборатории компании NEC (Япония) научной группой под руководством Y. Nakamura и Ю. Пашкина (Nature 398, 786–788, 1999). За прошедшие 15 лет времена когерентности сверхпроводящих кубитов были улучшены ведущими научными группами почти на шесть порядков с наносекуд до сотен микросекунд, обеспечив возможность выполнения сотен двухкубитных операций и реализации алгоритмов коррекции ошибок. 

Высококогерентные сверхпроводящие кубиты
 

В НОЦ ФМН мы разрабатываем, изготавливаем и тестируем зарядовые и потоковые кубиты различных конструкций (потоковые, флаксониумы, 2D/3D трансмоны, X-моны и т.п.) с алюминиевыми джозефсоновскими переходами, проводим исследования новых материалов и методов создания высококогерентных кубитов, направленные на улучшение основных параметров сверхпроводящих кубитов.

Высокодобротные сверхпроводящие резонаторы 
Специалистами центра разрабатываются тонкопленочные линии передач и сверхпроводящие резонаторы высокой добротности с резонансными частотами в диапазоне 3-10 ГГц. Они используются в элементах квантовых схем и памяти для квантовых вычислений, обеспечивая управление отдельными кубитами, связь между ними и считывание их состояний в режиме реального времени. Основной задачей здесь является повышение добротности создаваемых структур в однофотонном режиме при низких температурах.

Высокодобротные сверхпроводящие резонаторы
 
С целью повышения параметров сверхпроводящих резонаторов мы проводим исследования различных типов их конструкций, материалов тонких пленок (алюминий, ниобий, нитрид ниобия), методов осаждения пленок (электронно-лучевое, магнетронное, атомно-слоевое) и формирования топологий (взрывная литография, различные процессы травления) на различных подложках (кремний, сапфир) и интеграции различных материалов в одной схеме.

Электродинамика элементов квантовых схем 
Научные группы из различных областей физики давно занимаются исследованием возможности когерентного взаимодействия (связи) квантовых двухуровневых систем с квантовыми гармоническими осцилляторами. До 2004 года такого взаимодействия удавалось добиться только в экспериментах атомной физики и квантовой оптики, где одиночный атом когерентно обменивается одиночным фотоном с одномодовым излучением. Эти эксперименты внесли большой вклад в понимание механизмов взаимодействия света с веществом, квантовой физики, физики когерентности и декогерентности, а также подтвердили теоретические основы концепции квантовых вычислений. Однако в 2004 году научной группой под руководством A. Wallraff (Nature 431, 162-167 (2004)) была впервые продемонстрирована возможность когерентной связи твердотельной квантовой схемы с одиночным фотоном микроволнового диапазона. Благодаря этим экспериментам и после решения ряда технологических проблем были разработаны принципы создания управляемых твердотельных двухуровневых квантовых систем, которые составили основу новой парадигмы схем квантовой электродинамики (QED схем) активно исследуемых в последние годы.

Электродинамика элементов квантовых схем
      
QED схемы крайне привлекательны как с точки зрения исследования особенностей взаимодействия различных элементов квантовых систем, так и создания квантовых устройств для практического применения. Мы исследуем различные типы схем взаимодействия элементов QED схем: эффективной связи кубитов и управляющих элементов, схемотехнические решения перепутывания кубитов, квантовой нелинейности взаимодействия элементов с малым количеством фотонов и т.п. Эти исследования направлены на формирование базы практических экспериментальных методов для создания многокубитных квантовых интегральных схем. 

Многокубитные квантовые интегральные схемы
Основной целью исследований в данном направлении в ФМН является разработка технологии создания, метрологической, методической и алгоритмической базы для реализации алгоритмов Шора и Гровера с использованием многокубитных квантовых схем и демонстрации квантового ускорения по сравнению с классическими суперкомпьютерами. Эта крайне амбициозная научно-техническая задача требует решения колоссального количества теоретико-физических, технологических, схемотехнических, метрологических и алгоритмических проблем, над которыми в данный момент активно работаю ведущие научные группы и ИТ-компании.

Многокубитные квантовые интегральные схемы
 
Исследования и разработки в области квантовых вычислений проводятся в тесной кооперации с ведущими российскими научными коллективами ИФТТ РАН, МИСИС, МФТИ, НГТУ и РКЦ под управлением известных в мире российских ученых.


Другие направления
Последние события ФМН
В НОЦ ФМН созданы сверхпроводниковые кубиты-трансмоны мирового  уровня с временем когерентности в 50 микросекунд
В НОЦ ФМНС созданы сверхпроводниковые кубиты‑трансмоны мирового уровня с временем когерентности в 50 микросекунд
Инженеры и ученые МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА» ГК «Росатом» на базе совместного НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» (НОЦ ФМН), в кооперации с учеными ИФТТ РАН, МИСиС, МФТИ, РКЦ и НГТУ, разработали технологию создания сверхпроводниковых кубитов со «временем жизни» на уровне 50 микросекунд. Полученные результаты не уступают параметрам квантовых процессоров лучших мировых аналогов от IBM, Google, Intel. Это важнейший шаг на пути к созданию российского универсального квантового компьютера. Ключевые игроки зарождающегося рынка квантовых вычислений выбрали в качестве технологической платформы именно сверхпроводниковые кубиты.
Визит делегации концерна Carl Zeiss и холдинга ОПТЭК
Визит делегации концерна Carl Zeiss и холдинга ОПТЭК
3 ноября прошла встреча с руководством концерна Carl Zeiss и холдинга ОПТЭК. В составе делегации - T. Spitzepfeil – член совета правления концерна, U. Hoffmann – член совета правления концерна, M. Hubensack – президент Zeiss Meditec, J. Novoa – руководитель развития сети региональных партнеров Carl Zeiss Microscopy, G. Bauhammer – менеджер по развитию бизнеса Carl Zeiss Microscopy в РФ, О. Середкина – генеральный директор ООО «ОПТЭК», М. Игельник – управляющий холдинга OPTEC Group, Николас фон Корфф – финансовый директор холдинга OPTEC Group, В. Власенко – директор департамента научного и промышленного материаловедения ООО ОПТЭК, А. Ульяненков – директор департамента междисциплинарных проектов.
Отмечаем год эффективного сотрудничества компании «Маппер» и НОЦ ФМН
Отмечаем год эффективного сотрудничества с компанией «Маппер»
Сложившееся взаимодействие является взаимным – за прошедший год эффективного сотрудничества организации неоднократно «обменялись» заказами на изготовление уникальных изделий и технологических операций...
Modeling of Thermoelectric Generator Power Characteristics for Motorcycle-Type Engines Опубликована работа
Опубликована наша новая статья в журнале "Journal of Electronic Materials"
Modeling of Thermoelectric Generator Power Characteristics for Motorcycle-Type Engines В статье представлена модель для расчёта эксплуатационных характеристик термоэлектрических генераторов для малокубатурных двигателей внутреннего сгорания транспортных средств (например, мотоцикл, квадроцикл или снегоход). Их применение отрывает возможности для получения дополнительной электроэнергии путем утилизации тепловой мощности выхлопных газов. Установка ТЭГ на выхлопной трубе существенно проще, чем замена штатного электро-механического генератора из-за весьма плотной копоновки двс мотоциклетного типа. Разработанная модель позволяет определить основные эксплуатационные характеристики ТЭГ (электрическую мощность, КПД, и массу) при различных вариантах использования. Расчёты выполнены для нескольких компоновок ТЭГ, предложенных для ДВС Yamaha WR450F.
Численное моделирование процессов тепломассопереноса в микрофлюидном тепловом датчике потока Опубликована работа
Опубликована наша новая статья в журнале "Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана"
Численное моделирование процессов тепломассопереноса в микрофлюидном тепловом датчике потока ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ИМ. Н.Э. БАУМАНА СЕРИЯ: ПРИБОРОСТРОЕНИЕ #5(116)/2017